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湖南經(jīng)源MEM精混機(jī)處理超細(xì)粉體的團(tuán)聚問題

超細(xì)粉體在空氣中的分散自始至終一直困擾著顆粒技術(shù)及其相關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域，特別是隨著納米技術(shù)的發(fā)展，顆粒的團(tuán)聚問題顯得尤為突出。

1.超細(xì)粉體的團(tuán)聚行為

超細(xì)粉體的粒度小、表面積大、表面能高，非常容易產(chǎn)生自發(fā)的凝并，并表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的團(tuán)聚特性，特別容易團(tuán)聚生成粒徑較大的二次顆粒。團(tuán)聚的結(jié)果導(dǎo)致了超細(xì)顆粒材料性能的嚴(yán)重劣化，實(shí)際上已經(jīng)劣化成為微米級(jí)顆粒的性能。

表1給出了CaCO₃顆粒的真粒徑(一次顆粒)與實(shí)際團(tuán)聚粒徑(二次顆粒)?？梢钥闯?，CaCO₃顆粒的實(shí)際團(tuán)聚粒徑是其真粒徑的2~32倍。

表1粉體的真粒徑與實(shí)際團(tuán)聚粒徑

2.粉體團(tuán)聚的根源

2.1 顆粒帶電

通常情況下，顆粒與氣體、液體或固體接觸時(shí)可以帶電。這種帶電又引起其它不同現(xiàn)象。顆粒間的團(tuán)聚現(xiàn)象就是其中之一。圖1表示出了不同金屬氧化物的帶電極性。金屬氧化物的帶電極性大體可以用構(gòu)成氧化物的金屬原子在元素周期表上位置預(yù)測。堿土金屬氧化物帶正電，酸性金屬氧化物帶負(fù)電圖。圖2是氧化物顆粒的帶電量與組成氧化物的金屬離子的電負(fù)性的關(guān)系?？梢钥闯觯叱瘦^好的線性關(guān)系。不僅金屬氧化物，即使是硫化物、氟化物等也同樣存在類似關(guān)系。

圖1 各種金屬氧化物顆粒的接觸帶電極性

2.2水分子對(duì)粉體團(tuán)聚的影響

2.2.1 水分子吸附對(duì)粉體間抗張強(qiáng)度的影響

粉體顆粒在一定的蒸氣環(huán)境中，由于蒸氣壓的不同和顆粒表面不飽和力場的作用，顆粒均要或多或少凝結(jié)或吸附一定量的蒸氣，在其表面形成液膜。其厚度與顆粒表面的親液程度和蒸氣濕度有關(guān)，親液性越強(qiáng)，濕度越大，則液膜越厚，顆粒接觸點(diǎn)處形成環(huán)狀的液相橋連，產(chǎn)生抗張強(qiáng)度。圖2是不同相對(duì)濕度的水蒸氣氣氛對(duì)CaCO₃顆粒間的抗張強(qiáng)度的影響。圖3為CaCO₃顆粒間抗張強(qiáng)度與水蒸氣相對(duì)濕度的關(guān)系。可以看出，隨著相對(duì)濕度的增加，顆粒間的抗張強(qiáng)度隨之增大。這是由于相對(duì)濕度越高，顆粒表面對(duì)水分的吸附量越大，形成較完整的液膜橋連所致。

圖2氧化物顆粒的帶電量與組成氧化物的金屬離子電負(fù)性的關(guān)系

圖3 不同相對(duì)濕度的水蒸氣氣氛中,CaCO₃顆粒間的抗張強(qiáng)度與空隙率的關(guān)系

2.2.2 空氣濕度對(duì)不同顆粒團(tuán)聚的影響

當(dāng)空氣的相對(duì)濕度超過65%時(shí)，水蒸氣開始在顆粒表面及顆粒間凝集，顆粒間因形成液橋而大大增強(qiáng)了團(tuán)聚作用。圖4為相對(duì)濕度對(duì)不同表面性質(zhì)顆粒團(tuán)聚作用的影響。可見，顆粒之間的黏附率隨空氣的相對(duì)濕度增大而提高，另外疏水化顆粒的表面可通過減少蒸氣在其上的吸附削弱黏結(jié)力，即使在濕度很小的環(huán)境中，疏水化對(duì)顆粒在平板上的黏附也有明顯的影響，如圖5所示。

圖4 CaCO₃顆粒間抗張強(qiáng)度與水蒸氣相對(duì)濕度的關(guān)系

圖5未處理及處理過的玻璃球在玻璃板上的黏附率

1-玻璃球與玻璃板的黏附率；2-玻璃板經(jīng)過硅烷化處理；3-玻璃球經(jīng)過硅烷化處理；4-玻璃板及玻璃球均經(jīng)過強(qiáng)化處理

2.2顆粒間作用力對(duì)粉體團(tuán)聚的影響

一般而言，顆粒在空氣中具有強(qiáng)烈的團(tuán)聚傾向，其團(tuán)聚的根源是粒間存在吸引力。分子之間總是存在著范德華力，此力的作用距離較短，是吸引力，大小與分子間距離的六次方成反比，但作用范圍大于化學(xué)鍵力。隨著粒間距離的增大，范德華力的衰減程度明顯變慢，這是因?yàn)榇嬖谥鄠€(gè)分子的綜合相互作用之故。顆粒間范德華力的有效距離可達(dá)50nm，是長程力；其次由于大多數(shù)顆粒在干空氣中是自然荷電的，從而產(chǎn)生靜電引力；另外，顆粒間還存在著液橋引力、磁吸引力和固體架橋力等。其中，范德華力、靜電力和液橋力三種引力對(duì)顆粒在空氣中的團(tuán)聚行為是最為重要的。

范德華力、液橋力、靜電力的大小都隨顆粒半徑的增大呈線性增大的趨勢。圖6描述了各種力的最大值與顆粒直徑的關(guān)系，說明靜電力比液橋力和范德華力小得多。

圖6顆粒間的各種作用力與顆粒直徑的關(guān)系

1-液橋力；2-導(dǎo)體的靜電力；3-絕緣體的靜電力；4-范德華力

3.超細(xì)粉體團(tuán)聚的分散

在空氣中，顆粒的團(tuán)聚主要是液橋力造成的，保持顆粒干燥尤其是超細(xì)粉體的干燥是防止團(tuán)聚的重要措施。

在非常干燥的情況下，粉體的團(tuán)聚則是由范德華力引起的，故采用氣流流化分散+表面改性劑的涂覆等是極其有效的防止團(tuán)聚的方法。

4.結(jié)語

湖南經(jīng)源科技長期致力于鋰電材料中，超細(xì)粉體的制備與分散技術(shù)，目前，公司已開發(fā)出多款超細(xì)粉體的制備和分散設(shè)備，包括濕法包覆機(jī)、氣力混合機(jī)、氣流粉碎機(jī)等，且已在鋰電正極材料制備行業(yè)中的多個(gè)工藝段實(shí)現(xiàn)成功應(yīng)用。目前處理團(tuán)聚問題有非常好的效果。

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